The features of soil formation in the areas of active volcanism in Central Kamchatka

Abstract

Условия формирования почв на Камчатке характеризуются высоким контрастом, что позволяет изучать разнообразие процессов формирования почв в условиях активного вулканизма и их связи с почвообразующими породами. Для сравнения особенностей почвообразования в условиях разных режимов пеплопадов были выбраны 2 района: вулканическое плато Толбачинский дол (район активного голоценового вулканизма, территория перекрыта продуктами извержения 1975-1976 гг.) и плато Ушковский дол (район слабых перманентных пеплопадов). Исследуемые территории находятся на территории объекта всемирного наследия ЮНЕСКО «Вулканы Камчатки». Цель работы – определить влияние интенсивности вулканической деятельности на физико-химические характеристики почв. Для достижения цели перед нами были поставлены следующие задачи: 1. Оценить влияние разных режимов пеплопадов (интенсивных и слабых) на морфологические характеристики почв. 2. Охарактеризовать различия физико-химических показателей и элементного состава почв в зависимости от времени генезиса горизонтов в районе Толбачинского дола (в тефре и погребенном гумусовом горизонте). 3. Выявить различия физико-химических характеристик почв в зависимости от режима пеплопадов. Материал был собран летом 2018 и 2019 г. в ходе Камчатских геоботанических экспедиций Ботанического института им. В.Л. Комарова Российской Академии Наук. Были описаны 25 почвенных разрезов, отобраны образцы тефры и гумусовых горизонтов. Образцам была дана мезоморфологическая характеристика, элементный состав исследовали методом ICP-AES, были определены содержание органического вещества методом потерь при прокаливании, содержания гигроскопической влажности и актуальная кислотность. Далее была произведена статистическая обработка с помощью пакета Statistica 7, а также в программной среде R, мы воспользовались корреляционным анализом, методом главных компонент PCA. По результатам исследования поверхностный гумусовый горизонт в разрезах Толбачинского дола только формируется. В разрезах с Ушковского дола больше корней, материал гораздо более тонкодисперсный, крупная тефра отсутствует, встречается только мелко-песчаный пепел вулканов Шивелуч и Безымянный. С течением времени, в отсутствии частых перекрытий тефрой на территории Толбачинского дола вероятно снижение концентраций Ni, Cu, Cr, Ca. А Zn и Li напротив со временем накапливаются в гумусовых горизонтах. Актуальная кислотность гумусовых горизонтов при таких условиях снижается, а содержание гигроскопической влаги увеличивается. Элементный состав тефры Толбачинского дола отличается от погребенного гумусового горизонта и гумусового горизонта Ушковского дола в основном более высоким содержанием Ca, Cu, Cr, Ni, Co, но меньшими концентрациями Li. Кроме того, для данного горизонта характерное наименьшее содержание органического вещества. Элементный состав гумусового горизонта Ушковского дола отличается от горизонтов Толбачинского дола бóльшими концентрациями Zn и Mn. Растительные сообщества Ушковского дола отличаются от сообществ Толбачинского дола стадией сукцессии и бóльшим общим проективным покрытием растительности. Содержание органического вещества в пробах гумусовых горизонтов увеличивается с увеличением общего проективного покрытия растительности. Наиболее важными факторами, определяющими процесс почвообразования в районах активного вулканизма Северной почвенной провинции Камчатки, являются периодичность выпадения пирокластического материала, его химический состав и рельеф подстилающей территории, а также растительный покров.

Soil formation conditions in Kamchatka are characterized by high contrast, which makes it possible to study the diversity of soil formation processes under conditions of active volcanism and their relationship with parent rocks. To compare the features of soil formation under conditions of different ashfall regimes, 2 regions were selected: the Tolbachinsky Dol plateau (an area of active Holocene volcanism, the territory is covered by the products of the 1975-1976 eruption) and the Ushkovsky Dol plateau (area of weak permanent ashfalls). The study areas are located on the territory of the UNESCO World Heritage Site "Volcanoes of Kamchatka". The purpose of this research is to determine the effect of the intensity of volcanic activity on the physicochemical characteristics of soils. To achieve the goal, we were given the following tasks: 1. Evaluate the effect of different ashfall regimes (intense and weak) on the morphological characteristics of soils. 2. To characterize the differences in the physicochemical parameters and elemental composition of soils depending on the time of the genesis of horizons in the area of Tolbachinsky Dol (in tephra and buried humus horizon). 3. Reveal the differences in the physicochemical characteristics of soils depending on the ashfall regime. The material was collected in the summer of 2018 and 2019 during the Kamchatka geobotanical expeditions of the Botanical Institute. V.L. Komarov of the Russian Academy of Sciences. 25 soil sections were described, samples of tephra and humus horizons were taken. The samples were mesomorphologically characterized, the elemental composition was studied by the ICP-AES method, the content of organic matter was determined by the method of loss on ignition, hygroscopic moisture content and the pH were determined. Further, statistical processing was carried out using the Statistica 7 package, and also in the R software environment, we used correlation analysis and the principal component method. According to the results of the study, the surface humus horizon in the sections of the Tolbachinsky Dol is just being formed. In the sections from the Ushkovsky Dol, there are more roots, the material is much more finely dispersed, there is no coarse tephra, only fine sandy ash from the Shiveluch and Bezymyanny volcanoes is found. With the passage of time, in the absence of frequent tephra overlaps on the territory of the Tolbachinsky Dol, a decrease in the concentrations of Ni, Cu, Cr, and Ca is likely. On the contrary, Zn and Li accumulate in humus horizons over time. The actual acidity of humus horizons under such conditions decreases, and the content of hygroscopic moisture increases. The elemental composition of the tephra of the Tolbachinsky Dol differs from the buried humus horizon and the humus horizon of the Ushkovsky Dol mainly by a higher content of Ca, Cu, Cr, Ni, Co, but lower concentrations of Li. In addition, this horizon is characterized by the lowest content of organic matter. The elemental composition of the humus horizon of the Ushkovsky Dol differs from the horizons of the Tolbachinsky Dol in higher concentrations of Zn and Mn. The plant communities of the Ushkovsky Dol differ from the communities of the Tolbachinsky Dol in the stage of succession and a larger overall projective vegetation cover. The content of organic matter in samples of humus horizons increases with an increase in the total projective cover of vegetation. The most important factors that determine the process of soil formation in areas of active volcanism in the Northern Soil Province of Kamchatka are the frequency of precipitation of pyroclastic material, its chemical composition and the topography of the underlying territory, as well as vegetation cover.